(57)【要約】  加速度センサは、枠体と、錘部と、枠体と錘部との間を連結する梁部と、梁部の撓みを検出する検出部と、を有する。検出部は、錘部の上に設けられた第１のコンタクト部及び第２のコンタクト部と、一端が第１のコンタクト部に接続され、他端が第２のコンタクト部に接続された歪抵抗部と、を有する。歪抵抗部は金属酸化物からなる歪抵抗薄膜で形成されるとともに、梁部における枠体よりも錘部に近い部分においてメアンダ状に形成されている。
2011161917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠体と、
錘部と、
前記枠体と前記錘部との間を連結する梁部と、
前記梁部の撓みを検出する検出部と、を備え、
前記検出部は、前記錘部の上に設けられた第１のコンタクト部及び第２のコンタクト部と、一端が前記第１のコンタクト部に接続され、他端が前記第２のコンタクト部に接続された歪抵抗部と、を有し、
前記歪抵抗部は金属酸化物からなる歪抵抗薄膜で形成されるとともに、前記梁部における前記枠体よりも前記錘部に近い部分においてメアンダ状に形成された加速度センサ。
【請求項２】
前記歪抵抗部におけるメアンダ状に形成された部分の一部が、前記錘部の上に形成された請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
枠体と、
錘部と、
前記枠体と前記錘部との間に連結された梁部と、
前記梁部の撓みを検出する検出部と、を備え、
前記検出部は、前記枠体の上に設けられた第１のコンタクト部及び第２のコンタクト部と、一端が前記第１のコンタクト部に接続され、他端が前記第２のコンタクト部に接続された歪抵抗部と、を有し、
前記歪抵抗部は金属酸化物からなる歪抵抗薄膜で形成されるとともに、前記梁部における前記錘部よりも前記枠体に近い部分においてメアンダ状に形成された加速度センサ。
【請求項４】
前記歪抵抗部におけるメアンダ状に形成された部分の一部が、前記枠体の上に形成された請求項３に記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記歪抵抗部におけるメアンダ状に形成された部分は、それぞれ交互に折れ曲がって形成された第１のメアンダ部及び第２のメアンダ部と、前記第１のメアンダ部と前記第２のメアンダ部を接続する接続部とからなる請求項１又は請求項３のいずれか1項に記載の加速度センサ。
【請求項６】
前記梁部の中心線を軸として、前記検出部と線対称となるように形成された第２の検出部を備えた請求項１又は請求項３のいずれか1項に記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯端末や車両等に用いられる加速度や角速度等を検出する加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図９に示すように、従来の加速度センサ１は、枠体２と、錘部３と、枠体２と錘部３との間を連結する梁部４と、梁部４の撓みを検出する検出部５と、を有する。【０００３】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。【０００４】
しかしながら、加速度センサ１においては、検出部５として例えば、ピエゾ抵抗が用いられている。ピエゾ抵抗は、温度変化による電気抵抗の変化率を表す抵抗温度係数が大きいため、広い温度範囲で使用される端末に採用することが難しい。一方、検出部５として金属酸化物からなる歪抵抗薄膜を用いた場合には、温度変化に対する電気抵抗の変化率が小さい。しかし、金属酸化物からなる歪抵抗薄膜は、歪に対する抵抗変化を表すゲージ率が小さいため、感度が低い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−８５８００号公報
【発明の概要】
【０００６】
本発明の加速度センサは、枠体と、錘部と、枠体と錘部との間を連結する梁部と、梁部の撓みを検出する検出部と、を有する。検出部は、錘部の上に設けられた第１のコンタクト部及び第２のコンタクト部と、一端が第１のコンタクト部に接続され、他端が第２のコンタクト部に接続された歪抵抗部と、を有する。歪抵抗部は金属酸化物からなる歪抵抗薄膜で形成されるとともに、梁部における枠体よりも錘部に近い部分においてメアンダ状に形成されている。
【０００７】
または、加速度センサは、枠体と、錘部と、枠体と錘部との間を連結する梁部と、梁部の撓みを検出する検出部と、を有する。検出部は、枠体の上に設けられた第１のコンタクト部及び第２のコンタクト部と、一端が第１のコンタクト部に接続され、他端が第２のコンタクト部に接続された歪抵抗部と、を有する。歪抵抗部は金属酸化物からなる歪抵抗薄膜で形成されるとともに、梁部における枠体側においてメアンダ状に形成されている。
【０００８】
この構成により、抵抗温度係数が小さく、かつ、ゲージ率が大きい加速度センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は実施の形態における加速度センサの上面図である。
【図２】図２は実施の形態における加速度センサの部分拡大図である。
【図３】図３は実施の形態における他の加速度センサの部分拡大図である。
【図４】図４は実施の形態における他の加速度センサの部分拡大図である。
【図５】図５は実施の形態における他の加速度センサの部分拡大図である。
【図６】図６は実施の形態における加速度センサの上面図である。
【図７Ａ】図７Ａは実施の形態における加速度センサの回路例を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは実施の形態における加速度センサの回路例を示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは実施の形態における加速度センサの回路例を示す図である。
【図８】図８は実施の形態における他の加速度センサの上面図である。
【図９】図９は従来の加速度センサの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１は、本実施の形態における加速度センサの上面図である。また、図２は、図１において点線で囲った部分Ａの中央部の拡大図である。
【００１２】
図１において、加速度センサ６は、枠体７と、錘部８と、枠体７と錘部８との間を連結する梁部９と、梁部９の撓みを検出する検出部１０と、を有する。
【００１３】
また、図２において、検出部１０は、錘部８の上に設けられた第１のコンタクト部１１及び第２のコンタクト部１２と、第一端１３ａが第１のコンタクト部１１に接続され、第二端１３ｂが第２のコンタクト部１２に接続された歪抵抗部１３と、を有する。歪抵抗部１３は金属酸化物からなる歪抵抗薄膜で形成される。また、歪抵抗部１３は、梁部９上における錘部８側においてメアンダ状に形成されている。
【００１４】
この構成により、抵抗温度係数が小さく、かつ、ゲージ率が大きい加速度センサが得られる。
【００１５】
枠体７は上面からみて四角形状であり、中心部に空洞７ａが設けられている。
【００１６】
錘部８は空洞７ａの中心部に設けられている。梁部９は枠体７と錘部８との間を連結するように形成されている。梁部９は、枠体７と錘部８との間に４箇所設けられており、それらの梁部９によって、錘部８が支持されている。錘部８及び４箇所の梁部９により、空洞７ａは略十字状に区切られ、空洞７ａは４区画に区切られている。
【００１７】
また、錘部８の４つの角からそれぞれ１つの補助錘８ａがそれぞれの空洞７ａ内に延出するように形成されている。
【００１８】
枠体７、梁部９、錘部８及び補助錘８ａは、水晶、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３等の圧電材料で形成してもよいし、シリコン、溶融石英、アルミナ等の非圧電材料で形成してもよい。好ましくは、シリコンを用いて枠体７、梁部９、錘部８及び補助錘８ａを形成することにより、微細加工技術を用いて小型の加速度センサを作製できる。
【００１９】
また、梁部９は、枠体７、錘部８及び補助錘８ａよりも薄く形成するのが好ましい。このように梁部９を薄く形成することにより、梁部９が撓みやすくなり、外部から与えられた加速度によって錘部８及び補助錘８ａがより大きく変位できる。また、枠体７、錘部８及び補助錘８ａは同じ厚さとするのが好ましい。これにより、加工工程を簡略化できる。
【００２０】
第１のコンタクト部１１及び第２のコンタクト部１２は歪抵抗部１３の抵抗値を測定するための電極である。第１のコンタクト部１１及び第２のコンタクト部１２は歪抵抗部１３と同一の材料で形成されている。梁部９及び歪抵抗部１３の上部にはＳｉＮやＳｉＯ２等からなる絶縁膜（図示せず）が形成され、第１のコンタクト部１１及び第２のコンタクト部１２は、この絶縁膜の上部に形成した配線により枠体７の端部に設けられた電極パッド（図示せず）と電気的に接続され、さらに検出回路（図示せず）に電気的に接続される。第１のコンタクト部１１及び第２のコンタクト部１２を錘部８の上に設けることにより、第１のコンタクト部１１及び第２のコンタクト部１２から取り出す信号にノイズが混入することを抑制できる。ここで、第１のコンタクト部１１及び第２のコンタクト部１２を梁部９の上に設けると、梁部９に生じる撓みに起因して第１のコンタクト部１１及び第２のコンタクト部１２から取り出す信号にノイズが混入してしまう。
【００２１】
歪抵抗部１３は、例えば、酸化亜鉛や酸化クロム、酸化ニッケル等の金属酸化物からなる歪抵抗薄膜で形成される。歪抵抗部１３は、梁部９における錘部８側においてメアンダ状に形成されている。加速度センサ６に加速度が加わった場合に、錘部８及び補助錘８ａが変位することにより梁部９が撓むが、このときの撓み量は梁部９の中央部から端に行くほど大きくなる。すなわち、梁部９における撓み量の多い部分である梁部９と錘部８との境界部分もしくは梁部９と枠体７との境界部分に近いほど撓み量は大きくなる。
【００２２】
従って、梁部９における錘部８側に歪抵抗部１３を設けることにより、ゲージ率を大きくできる。
【００２３】
また、歪抵抗部１３の抵抗値の変化により撓み量を検出するため、梁部９の単位長さあたりに形成される歪抵抗部１３の長さを長くするほど、同一の撓み量に対する抵抗値変化の絶対値が大きくなる。従って、歪抵抗部１３をメアンダ状に形成することにより、梁部９の単位長さあたりに形成される歪抵抗部１３を長くでき、ゲージ率を大きくできる。
【００２４】
ここで、歪抵抗部１３をピエゾ抵抗で形成する場合は、Ｎ型のシリコンからなる梁部９にＰ型のボロン等を拡散して拡散層を形成する。そのため、幅が狭い梁部９上にメアンダ状の拡散層を形成すると、対向する拡散層間でリーク電流が発生してしまう。すなわち、対向する拡散層間はＰＮ接合のみ、すなわちシリコンのみで電荷の拡散を防いでおり、さらにアニール工程により拡散層が広がるため、拡散層間の耐圧が低くなり、リーク電流が発生してしまう。しかし、本実施の形態においては、歪抵抗部１３を金属酸化物からなる歪抵抗薄膜で形成しているため、対向する歪抵抗薄膜間には、ＳｉＮやＳｉＯ２等からなる絶縁体が存在しており耐圧が高いため、リーク電流を抑制できる。好ましくは、歪抵抗部１３を覆うようにＳｉＯ２等の絶縁体を形成することにより、さらにリーク電流を抑制することができるとともに、この絶縁体の上部に配線をすることができるようになる。
【００２５】
なお、図２は、第１のコンタクト部１１及び第２のコンタクト部１２を錘部８上に設ける構成を示しているが、図１における部分Bに示すように、第１のコンタクト部１１及び第２のコンタクト部１２を枠体７の上に設け、歪抵抗部１３を梁部９における枠体７側においてメアンダ状に形成しても、同様の効果が得られる。すなわち、梁部９における撓み量の多い部分である梁部９と枠体７との境界部分に近い部分にメアンダ形状に歪抵抗部１３を形成することで高いゲージ率と低い抵抗温度係数の加速度センサが得られる。
【００２６】
図３は、本実施の形態における他の加速度センサの部分拡大図である。歪抵抗部１３におけるメアンダ状に形成された部分の一部１３ｃが、錘部８の上に形成されている。このように歪抵抗部１３を形成することにより、撓み量が一番大きい錘部８と梁部９の境界部に歪抵抗部１３を形成できる。そのため、高いゲージ率が得られる。また、製造ばらつきによって歪抵抗部１３が梁部９の中心部に寄った場合であっても、撓み量が一番大きい錘部８と梁部９の境界部近傍に確実に歪抵抗部１３を形成できる。同様に、第１のコンタクト部１１及び第２のコンタクト部１２を枠体７の上に設けた場合には、歪抵抗部１３におけるメアンダ状に形成された部分の一部１３ｃを枠体７上に形成することにより、枠体７と梁部９の境界部に歪抵抗部１３を形成できる。
【００２７】
図４は、本実施の形態における他の加速度センサの部分拡大図である。歪抵抗部１３におけるメアンダ状に形成された部分は、それぞれ交互に折れ曲がって形成された第１のメアンダ部１３ｄ及び第２のメアンダ部１３ｆと、第１のメアンダ部１３ｄと第２のメアンダ部１３ｆを接続する接続部１３ｅとで構成されている。この時、第１のメアンダ部１３ｄ及び第２のメアンダ部１３ｆにおける隣りあう歪抵抗部の間の幅よりも、第１のメアンダ部１３ｄと第２のメアンダ部１３ｆとの間の幅、すなわち接続部１３ｅの幅の方が長くなるように形成されている。また、梁部９及び歪抵抗部１３の上部にはＳｉＮやＳｉＯ２等からなる絶縁膜（図示せず）が形成され、第１のコンタクト部１１及び第２のコンタクト部１２は、この絶縁膜の上部に形成した配線により枠体７の端部に設けられた電極パッド（図示せず）と電気的に接続される。この配線を接続部１３ｅの上部を通るように形成することにより、配線と歪抵抗部１３とが対向する面積が小さくなるため、配線と歪抵抗部１３との絶縁性を確保することができる。
【００２８】
図５は、本実施の形態における他の加速度センサの部分拡大図である。第１のコンタクト部１１、第２のコンタクト部１２及び歪抵抗部１３を含む検出部１０と、第１のコンタクト部１５、第２のコンタクト部１６及び歪抵抗部１７を含む検出部１４とは、梁部９の中心線１８を軸として、線対称となるように形成されている。このように、検出部１０、１４を設けることにより、例えばＸ軸とＺ軸など、２軸の角速度を検出できる。
【００２９】
図６は、本実施の形態における加速度センサ６における検出部１０の配置例を示す図である。図７は本実施の形態における加速度センサの加速度を検出する回路例を示す図である。
【００３０】
検出部ＲＸ１〜ＲＸ４、ＲＹ１〜ＲＹ４及びＲＺ１〜ＲＺ４は簡略化して示しているが、これらは全て、図１〜図４に示した錘部８又は枠体７の上に設けられた第１のコンタクト部及び第２のコンタクト部と、メアンダ状に形成された歪抵抗部を有する構成である。
【００３１】
図６に示すように、錘部８から見てＸ軸の負側に設けられた梁部９ａにおいて、枠体７側の端に検出部ＲＸ１及びＲＺ４が設けられ、錘部８側の端に検出部ＲＸ２及びＲＺ３が設けられている。また、錘部８から見てＸ軸の正側に設けられた梁部９ｂにおいて、枠体７側の端に検出部ＲＸ４及びＲＺ２が設けられ、錘部８側の端に検出部ＲＸ３及びＲＺ１が設けられている。また、錘部８から見てＹ軸の正側に設けられた梁部９ｃにおいて、枠体７側の端に検出部ＲＹ１が設けられ、錘部８側の端に検出部ＲＹ２が設けられている。また、錘部８から見てＹ軸の負側に設けられた梁部９ｄにおいて、枠体７側の端に検出部ＲＹ４が設けられ、錘部８側の端に検出部ＲＹ３が設けられている。
【００３２】
図７ＡはＸ軸方向の加速度を検出する場合の回路例であり、図７ＢはＹ軸方向の加速度を検出する場合の回路例であり、図７ＣはＺ軸方向の加速度を検出する場合の回路例である。図７Ａのように、ＲＸ１〜ＲＸ４をブリッジ接続し、対向する一対の接続点間に電圧Ｅを印加し、残りの一対の接続点間に設けた電圧検出部１９の検出電圧により、Ｘ軸方向の加速度を検出できる。また、図７Ｂのように、ＲＹ１〜ＲＹ４をブリッジ接続し、対向する一対の接続点間に電圧Ｅを印加し、残りの一対の接続点間に設けた電圧検出部２０の検出電圧により、Ｙ軸方向の加速度を検出できる。また、図７Ｃのように、ＲＺ１〜ＲＺ４をブリッジ接続し、対向する一対の接続点間に電圧Ｅを印加し、残りの一対の接続点間に設けた電圧検出部２１の検出電圧により、Ｚ軸方向の加速度を検出できる。なお、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれの加速度が加わった場合の錘部８の動きや、その際の各歪抵抗部の抵抗値の変化については説明を割愛する。詳細については、例えば特開２００８−２２４２９４号公報に記載されている。
【００３３】
このように加速度センサ６を構成することで、加速度センサ６は、外部から与えられた加速度によって錘部８及び補助錘８ａが変位し、これにより４つの梁部９ａ〜９ｄに生じる歪を検出部ＲＸ１〜ＲＸ４、ＲＹ１〜ＲＹ４、ＲＺ１〜ＲＺ４により検出することにより、３軸方向の加速度を検出できる。
【００３４】
なお、本発明は上記で説明した、錘部８を複数の梁部９で支えるいわゆる両持ち梁構造の加速度センサに限らない。例えば図８に示すように、枠体７に設けられた空洞内に形成された錘部８を、錘部８の片側から梁部９で支える片持ち梁構造の加速度センサに適用しても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の加速度センサは、抵抗温度係数が小さく、かつ、ゲージ率が大きくできるので、広い温度範囲で使用することができるとともに、高感度にできるので、携帯端末や車両等において有用である。
【符号の説明】
【００３６】
１    加速度センサ
２    枠体
３    錘部
４    梁部
５    検出部
６    加速度センサ
７    枠体
８    錘部
８ａ    補助錘
９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ    梁部
１０，１４    検出部
１１，１５    第１のコンタクト部
１２，１６    第２のコンタクト部
１３，１７    歪抵抗部
１３ａ    第一端
１３ｂ    第二端
１３ｃ    一部
１３ｄ    第１のメアンダ部
１３ｅ    接続部
１３ｆ    第２のメアンダ部
１８    中心線
１９，２０，２１    電圧検出部
ＲＸ１，ＲＸ２，ＲＸ３，ＲＸ４    検出部
ＲＹ１，ＲＹ２，ＲＹ３，ＲＹ４    検出部
ＲＺ１，ＲＺ２，ＲＺ３，ＲＺ４    検出部
【図１】
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【図２】
2011161917.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
2011161917.tif 000011
【図８】
2011161917.tif 000012
【図９】
2011161917.tif 000013
【国際調査報告】
2011161917.tif 000014
2011161917.tif 000015
2011161917.tif 000016
2011161917.tif 000017